Когда частота вынуждающей силы приближается к собственной частоте механической системы, амплитуда вибрации резко возрастает. Это явление называют резонансом.

Толкание качелей с ребенком – это пример резонанса, который демонстрирует эффективность периодического воздействия небольшой силы. Качели с ребенком реагируют на это воздействие на собственной частоте системы аналогично маятнику. Система действует как накопитель энергии, совершая колебания на собственной частоте.

Если последовательные толчки качелей правильно синхронизировать по времени (вынуждающая частота равна собственной частоте и находится в фазе с движением качелей), то очередной толчок качелей будет увеличивать энергию системы, что в свою очередь увеличит амплитуду колебаний. Величина этого усиления выражается коэффициентом синхронного усиления (КСУ) и зависит от эффективного затухания системы.

В роторных системах, сила, вызванная вращающимся небалансом, порождает синхронную, 1Х, вынуждающую частоту, которая равна частоте вращения ротора. Когда частота вращения ротора приблизится к собственной частоте роторной системы, амплитуда вибрации увеличится.

Механическую систему можно заставить колебаться с любой нужной нам частотой. Например, маятник, который первоначально находился в состоянии покоя, можно очень медленно двигать рукой. Маятник начинает реагировать на приложенную рукой силу. Эта сила может быть приложена с любой нужной нам частотой. Если увеличить частоту движения руки, маятник будет реагировать с такой же частотой. Это – вынужденные колебания.

Вынужденные колебания вызывает периодическая сила, которая действует через динамическую жесткость роторной системы. Динамическая жесткость – это совокупность жесткостей различных упругих опор, инерционных масс и элементов, рассеивающих энергию колебаний (или элементов затухания). Замеряемая нами вибрация – это отношение силы к динамической жесткости; следовательно, изменение силы либо динамической жесткости вызовет изменение вибрации.

Этот базовый принцип поведения агрегатов является ключом к успешной диагностике оборудования.

Если любую механическую систему со слабым затуханием вывести из положения равновесия и затем отпустить, то она будет колебаться (вибрировать) с частотой, которая называется собственная частота затухающих колебаний системы. При свободных колебаниях система продолжает колебаться до полного затухания колебаний либо до получения нового возбуждения.

Колебания в большинстве механических систем включают в себя периодическое преобразование потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Например, если вы вывели маятник из состояния покоя, то вы увеличили его потенциальную энергию. В момент, когда вы отпускаете маятник, потенциальная энергия максимальна, а скорость равна нулю.

Вращение – это угловое движение ротора вокруг своего геометрического центра или оси вала. Теоретически, вращение может происходить без какого-либо поперечного (бокового) движения ротора. В отсутствие каких-либо внешних сил идеально отбалансированный ротор будет вращаться на одном месте вокруг геометрического центра вала без какого-либо изменения положения (без перемещения, без вибрации) этого центра (левая сторона рис.1-7).

Прецессия – это перемещение, или вибрация, геометрического центра ротора в плоскости ХY, которая перпендикулярна оси ротора. Прецессию также называют движением по орбите. Орбита наглядно показывает боковое перемещение оси ротора. На рисунке оно показано зеленым цветом. Прецессия может иметь место даже тогда, когда ротор не вращается; она совершенно не зависит от вращения (правая сторона рис.1-7). Орбита ротора может варьироваться от точно круговой до очень сложной формы, которая будет содержать много частот вибрации.

Ротор может вращаться без вибрации, а может вибрировать без вращения. Однако обычно имеет место и вращение, и прецессия.

Роторы агрегатов вращаются, но из-за сил, возникающих внутри агрегата, они еще и движутся в поперечном, или радиальном, направлении в плоскости, перпендикулярной оси агрегата. Это движение периодическое и обычно совершается на частоте вращения ротора (в основном, как реакция на небаланс), но может совершаться и на частотах ниже или выше скорости ротора. Часто одновременно присутствует несколько частот вибрации.

Чтобы наглядно представить вибрацию ротора в самом простом виде, возьмем короткий металлический прут, согнутый дугой. При вращении прута вокруг его оси любая точка на его согнутой части будет двигаться по окружности вокруг оси вращения. Траекторию движения этой точки называют орбитой. В данном примере точка будет совершать один виток по орбите за каждый оборот прута – пример вибрации 1Х.

Перемещение описывает положение (позицию) объекта. Скорость показывает, насколько быстро объект меняет свое положение во времени, а ускорение – насколько быстро меняется скорость. На рисунке 1-5 изображены колебания маятника, наблюдаемые со стороны датчика перемещения, а также диаграммы перемещения, скорости и ускорения. Перемещения маятника измеряют относительно вертикали (положение равновесия).

Рисунок 1-5. Колебания маятника. Кривые перемещения (зеленая), скорости (синяя) и ускорения (оранжевая), показаны в зависимости от времени. Желтые точки представляют собой уровни сигнала для положения маятника, изображенного на рисунке.

Амплитуда – это величина вибрации, выраженная в единицах уровня сигнала (например, миливольты или милиамперы) или в инженерных единицах (например, микрометры или mils – один mil равен 0,001 дюйма, милиметры в секунду или дюймы в секунду и т.д.).

Амплитуду можно измерить несколькими способами. Один из способов: измерить общее изменение напряжения от минимума сигнала до максимума сигнала («размах»). Этот способ применяют для сигналов перемещения и называют двойная амплитуда или пик-пик, сокращенно п-п.

Рисунок 1-3. Три способа измерения амплитуды гармонического (синусоидальная волна) сигнала. Период Т представляет собой время, необходимое для одного цикла колебаний. Примечание: 120 мкм п-п; 60 мкм п-п; 42 мкм п-п.

Частота – это скорость повторения колебаний в единицу времени. Сигнал вибрации на рис.1-1 имеет только одну частоту. Частоту этого сигнала определяют путем измерения количества времени, которое требуется для совершения одного цикла колебаний (рис.1-3). Протяженность этого отрезка времени называют периодом Т; этот период показан на рисунке. Единицы измерения периода – секунды на цикл колебаний.

Частота   измеряется в циклах на секунду или в герцах (Гц) и обратно пропорциональна периоду в секундах:

   (1-1)  

Датчик вибрации – это устройство, которое преобразует механическое движение в электрический сигнал. Датчик перемещения применяют для измерения перемещения или положения объекта относительно датчика. Для большинства датчиков это – одномерное измерение, по крайней мере, в идеале.

Рисунок 1-1 Соотношение движения объекта и сигнала виброперемещения. По мере движения объекта относительно измеряющего датчика возникает изменяющийся во времени сигнал напряжения. Вращающийся вектор положения, обозначенный красным цветом, вращается с круговой частотой (греческая строчная буква “омега”). Проекция этого вектора на ось датчика (показано желтым цветом) представляет собой действительное перемещение объекта.

Если объект колеблется, то его положение относительно датчика будет меняться во времени по синусоидальному закону.

ВИБРАЦИЯ – ЭТО ПЕРИОДИЧЕСКОЕ, ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ (колебание) объекта.

Ежедневно мы сталкиваемся с вибрацией самых разных видов. Почти все музыкальные инструменты для получения звука используют периодическую вибрацию механических элементов; например, в фортепиано и гитаре используется вибрация струн и соединенной с ними деки, в кларнете – вибрация маленького язычка («трость»), в трубе – вибрация губ музыканта.

Вибрация существует также и в природе. Движение приливов – это пример вибрации очень низкой частоты, которую порождает гравитационная сила луны и солнца. Это движение - пример вынужденной вибрации (и резонанса, как в заливе Фанди-Бей). Неожиданный порыв ветра, воздействуя на высокую сосну, вызывает периодические колебания дерева низкой частоты. Это - пример свободной вибрации, возникающей от начального импульса. Ветер, соприкасаясь с листвой деревьев, вызывает непрерывное, периодическое движение листьев. Это – пример самовозбуждающейся вибрации.